輕型飛機(jī)綜合障礙回避系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空電子領(lǐng)域，特別是涉及一種輕型飛機(jī)綜合障礙回避系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 輕型飛機(jī)一般是指最大起飛重量小于5700公斤的飛機(jī)，被廣泛用于私人飛行、公 務(wù)飛行、商業(yè)運(yùn)輸、空中游覽、飛行訓(xùn)練、航空俱樂(lè)部、地質(zhì)勘探、航空攝影、緊急救護(hù)、播種 施肥、森林和漁業(yè)巡邏、滅火和探礦等。具有輕便、易于操作、價(jià)格低廉、飛行速度慢等特點(diǎn)， 輕型飛機(jī)飛行、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，如低空、山谷、城市等。山脈、樹(shù)木等自然障礙物和發(fā)射塔、樓 房、高壓線等人工障礙物對(duì)飛行安全影響大，由于價(jià)格低廉輕型飛機(jī)一般不安裝空中防撞 系統(tǒng)、近地警告系統(tǒng)、地形跟隨系統(tǒng)、地形回避系統(tǒng)、障礙回避系統(tǒng)，航電設(shè)備只配備一些必 備的儀器儀表，對(duì)障礙物缺乏識(shí)別、回避手段，容易發(fā)生與障礙物碰撞事故，在回避障礙物 的操作過(guò)程中又容易出現(xiàn)與飛行物碰撞、觸地等問(wèn)題。這就需要為輕型飛機(jī)設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)、 智能的綜合障礙回避系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然障礙物、人工障礙物回避功能，兼顧空中防撞和近地 警告，保障飛行安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述存在的技術(shù)不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種輕型飛機(jī)綜合 障礙回避系統(tǒng)，系統(tǒng)要具有經(jīng)濟(jì)性和智能性。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的一種輕型飛機(jī)綜合障礙回避系統(tǒng)，包括數(shù) 據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備，人機(jī)交互設(shè)備和電源等。數(shù)據(jù)采集設(shè)備由航空總線轉(zhuǎn)換設(shè)備、 GPS設(shè)備和2部高清攝像機(jī)組成；數(shù)據(jù)處理設(shè)備由2部視頻處理設(shè)備、嵌入式計(jì)算機(jī)和服務(wù) 器組成；人機(jī)交互設(shè)備由控制面板、音響設(shè)備和液晶顯示器組成。
[0005]本發(fā)明航空總線轉(zhuǎn)換設(shè)備通過(guò)USB口連接到所述的嵌入式計(jì)算機(jī)，用于采集通用 飛機(jī)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、高度、速度等飛行參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明GPS設(shè)備通過(guò)GPS接口與嵌入式計(jì)算機(jī)相連，提供位置信息。
[0007]本發(fā)明兩部高清攝像機(jī)集成設(shè)計(jì)在一個(gè)吊艙內(nèi)，用于采集高清視頻圖像。要求安 裝時(shí)兩部高清攝像機(jī)光軸平行，圖像平面平行或重合，調(diào)制在不同的焦距，通過(guò)固定支架固 定在吊艙內(nèi)，固定支架保證機(jī)體振動(dòng)時(shí)，兩光軸同步運(yùn)動(dòng)，減少測(cè)距誤差。吊艙通過(guò)螺母固 定在飛機(jī)機(jī)頭部位，減小探測(cè)盲區(qū)，通過(guò)調(diào)整螺桿長(zhǎng)度，使高清攝像機(jī)光軸與飛機(jī)縱軸平 行，便于坐標(biāo)變換。吊艙防護(hù)罩內(nèi)具有溫度調(diào)節(jié)裝置，防護(hù)罩入光口具有除雨、除霧等裝置。 兩部高清攝像機(jī)分別通過(guò)高速接口與兩部視頻處理設(shè)備相連。
[0008]本發(fā)明兩部視頻處理設(shè)備分別采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field ProgrammableGateArray,FPGA)+FIF0(FirstInFirstOut)存儲(chǔ)器 + 數(shù)字信號(hào) 處理器（DigitalSignalProcessor,DSP)，即FPGA+FIFO+DSP架構(gòu)。2 部視頻處理設(shè)備內(nèi) 的DSP通過(guò)高速接口相連，對(duì)視頻數(shù)據(jù)協(xié)同處理。2部視頻處理設(shè)備通過(guò)高速（CAN)總線與 嵌入式計(jì)算機(jī)相連。
[0009] 本發(fā)明型視頻處理設(shè)備運(yùn)行視頻處理軟件。通過(guò)視頻處理，識(shí)別山峰、發(fā)射塔、高 壓線和飛行物等障礙物，對(duì)障礙物測(cè)距、測(cè)方位角和俯仰角。測(cè)量時(shí)對(duì)視頻圖像裁剪，只保 留攝像機(jī)視場(chǎng)光軸到機(jī)體方向半視場(chǎng)圖像，減小視頻數(shù)據(jù)量。
[0010] 本發(fā)明采用的嵌入式計(jì)算機(jī)，包括高主頻處理器、大容量?jī)?nèi)存接口、3D圖形硬件加 速器、音頻接口、視頻接口、LCD接口、鍵盤(pán)接口和USB接口等，滿足大容量視頻數(shù)據(jù)高速處 理、存儲(chǔ)和圖形化顯示的需要。嵌入式計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口連接U盤(pán)，通過(guò)U盤(pán)與服務(wù)器交 換地形、障礙物和航跡等數(shù)據(jù)庫(kù)信息。
[0011] 本發(fā)明嵌入式計(jì)算機(jī)軟件操作系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在嵌入式操作系統(tǒng)上運(yùn)行 硬件驅(qū)動(dòng)程序和嵌入式數(shù)字地圖程序、航跡跟隨障礙回避程序、實(shí)時(shí)探測(cè)障礙回避程序、綜 合顯示程序、系統(tǒng)初始化程序等應(yīng)用軟件。
[0012] 本發(fā)明嵌入式數(shù)字地圖程序，提供地形、地貌、預(yù)先規(guī)劃航跡和障礙物等信息。
[0013] 本發(fā)明航跡跟隨障礙回避程序通過(guò)GPS位置信息+高度表信息+數(shù)字地圖地形數(shù) 據(jù)庫(kù)+障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)+規(guī)劃航跡，完成預(yù)先規(guī)劃航跡跟隨，實(shí)現(xiàn)已知障礙物回避策略，給出 航跡跟隨時(shí)障礙物回避提醒，同時(shí)給出近地警告信息，回避已知的地形、地貌和障礙物。飛 行過(guò)程中存儲(chǔ)記錄GPS位置信息，形成實(shí)際飛行航跡文件。
[0014] 本發(fā)明實(shí)時(shí)探測(cè)障礙回避程序通過(guò)實(shí)時(shí)視頻處理設(shè)備，獲得實(shí)時(shí)靜態(tài)動(dòng)態(tài)障礙 物識(shí)別信息、距離、方位角和俯仰角信息，與飛機(jī)飛行參數(shù)、數(shù)字地圖地形和障礙物數(shù)據(jù)信 息融合，形成航跡優(yōu)化策略、對(duì)實(shí)時(shí)探測(cè)的障礙物形成回避策略，同時(shí)給出空中防撞警告信 息。在實(shí)時(shí)探測(cè)時(shí)，修正補(bǔ)充數(shù)字地圖地形、障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)信息。
[0015] 本發(fā)明服務(wù)器采用高性能服務(wù)器，位于地面。采用網(wǎng)站形式運(yùn)行數(shù)字地圖軟件、航 跡規(guī)劃軟件、航跡分析軟件和模擬飛行軟件。采用網(wǎng)站形式便于用戶補(bǔ)充修正地形、障礙物 和航跡信息。
[0016] 本發(fā)明數(shù)字地圖軟件提供地形、地貌、禁飛區(qū)和障礙物等信息。
[0017] 本發(fā)明航跡規(guī)劃軟件根據(jù)輕型飛機(jī)飛行性能參數(shù)和作業(yè)環(huán)境，完成航跡規(guī)劃。充 分考慮輕型飛機(jī)的縱向、橫向的機(jī)動(dòng)能力和低空作業(yè)面臨的地形、地貌，以及非專職飛行 員的駕駛技術(shù)和應(yīng)變能力，在數(shù)字地圖上規(guī)劃最佳航線，有效回避山峰、建筑物以及飛行禁 區(qū)，提高輕型飛機(jī)的安全飛行能力。特別是在執(zhí)行搜救、航拍、探礦等作業(yè)時(shí)能在規(guī)劃航跡 上，按照地形實(shí)際起伏情況作縱向機(jī)動(dòng)和水平機(jī)動(dòng)。將規(guī)劃的航跡數(shù)據(jù)和航跡安全距離內(nèi) 地圖高程信息、障礙物信息，以文件形式存入U(xiǎn)盤(pán)，導(dǎo)入嵌入式計(jì)算機(jī)。
[0018] 本發(fā)明航跡分析軟件提供飛行后檢討和事故分析等功能。
[0019] 本發(fā)明模擬飛行軟件，提供人工規(guī)劃、修正航線、熟悉航線和模擬飛行功能。
[0020] 本發(fā)明控制面板完成對(duì)高清攝像機(jī)、液晶顯示器和音響設(shè)備的控制。
[0021] 本發(fā)明液晶顯示器完成回避策略、警告信息文字列表、數(shù)字地圖和實(shí)時(shí)視頻人機(jī) 交互界面綜合顯示。數(shù)字地圖界面以不同顏色和圖標(biāo)顯示輕型飛機(jī)、地形、地貌和障礙物信 息。實(shí)時(shí)視頻人機(jī)交互界面顯示焦距較大的高清攝像機(jī)攝制的實(shí)時(shí)視頻，視頻上標(biāo)注危險(xiǎn) 障礙物信息。
[0022] 本發(fā)明音響設(shè)備完成回避策略、警告信息語(yǔ)音提醒。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：采用航電綜合技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別和數(shù)字地圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕型飛 機(jī)綜合障礙物回避功能，提高飛行的安全性。嵌入式計(jì)算機(jī)包括高主頻處理器、大容量?jī)?nèi)存 接口、3D圖形硬件加速器、音頻接口、視頻接口、IXD接口、鍵盤(pán)接口和USB接口等，滿足大容 量視頻數(shù)據(jù)高速處理、存儲(chǔ)和圖形化顯示的需要，通過(guò)U盤(pán)與服務(wù)器交換地形、障礙物和航 跡等數(shù)據(jù)庫(kù)信息。兩部高清攝像機(jī)光軸平行，圖像平面平行或重合，通過(guò)固定支架固定在吊 艙內(nèi)，減少測(cè)距誤差。高清攝像機(jī)光軸與飛機(jī)縱軸平行，便于坐標(biāo)變換。吊艙通過(guò)螺母固定 在飛機(jī)機(jī)頭部位，減小探測(cè)盲區(qū)。兩部視頻處理設(shè)備采用FPGA+FIFO+DSP架構(gòu)，DSP通過(guò)高 速接口相連，對(duì)視頻數(shù)據(jù)協(xié)同處理，完成對(duì)障礙物測(cè)距、測(cè)方位角和俯仰角。測(cè)量時(shí)對(duì)視頻 圖像裁剪，只保留攝像機(jī)視場(chǎng)光軸到機(jī)體方向半視場(chǎng)圖像，減小視頻數(shù)據(jù)量。通過(guò)GPS位置 信息+高度表信息+數(shù)字地圖地形數(shù)據(jù)庫(kù)+障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)+規(guī)劃航跡，完成預(yù)先規(guī)劃航跡 跟隨，實(shí)現(xiàn)已知障礙物回避策略，同時(shí)給出近地警告信息。通過(guò)實(shí)時(shí)靜態(tài)動(dòng)態(tài)障礙物識(shí)別信 息、距離、方位角和俯仰角信息，與飛機(jī)飛行參數(shù)、數(shù)字地圖地形和障礙物數(shù)據(jù)信息融合，形 成航跡優(yōu)化策略、對(duì)實(shí)時(shí)探測(cè)的障礙物形成回避策略，同時(shí)給出空中防撞警告信息。在實(shí)時(shí) 探測(cè)時(shí)，修正補(bǔ)充數(shù)字地圖地形、障礙物數(shù)據(jù)庫(kù)信息。服務(wù)器軟件采用網(wǎng)站形式便于用戶補(bǔ) 充修正地形、障礙物和航跡信息，實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃、航跡分析、模擬飛行等功能。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的輕型飛機(jī)綜合障礙物回避系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)時(shí)視頻處理設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)體坐標(biāo)系示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的障礙物測(cè)距測(cè)角原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合【附圖說(shuō)明】，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例具體描述實(shí)施方式，但本實(shí)施例并不用于限 制本發(fā)明。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例提供的輕型飛機(jī)綜合障礙物回避系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括 服務(wù)器、嵌入式計(jì)算機(jī)、2部視頻處理設(shè)備、航空總線轉(zhuǎn)換設(shè)備、GPS設(shè)備、2部高清攝像機(jī)、 控制面板、音響設(shè)備、液晶顯示器和電源。服務(wù)器、嵌入式計(jì)算機(jī)、2部視頻處理設(shè)備完成數(shù) 據(jù)處理，航空總線轉(zhuǎn)換設(shè)備、GPS設(shè)備、2部高清攝像機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，控制面板、音響設(shè)備 和液晶顯示器完成人機(jī)交互。
[0027] 本發(fā)明實(shí)施例服務(wù)器硬件采用高性能服務(wù)器，要求處理速度快，存儲(chǔ)空間大。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例嵌入式計(jì)算機(jī)包括飛凌S3C6410開(kāi)發(fā)板和S3C6410處理器，飛凌 S3C6